例谈模型思维在化学教学中的应用与培养

2020-09-10曾环忠

世界家苑·学术 2020年5期

关键词：元素化合物化学教学

曾环忠

摘要：介绍了模型思维的特点以及模型思维与化学教学的关系，并结合学科特点和教学体会，分析了在中学化学教学中培养和应用模型思维的重要性和可行性，还结合具体知识模块给出了模型思维应用于教学实践的样例。

关键词：模型思维;化学教学;元素化合物;有机物分子结构;化学反应原理

模型思维是一种利用模型达到特定认识目的的思维方式。它是在已获得的大量感性认识的基础上，以模型化和理想化的思维方式对相关事物进行扼要、近似、形象的摹写，进而揭示其本质和规律的科学抽象方法。

1 模型思维与化学学科及其教学

化学学科核心素养之“证据推理与模型认知”，要求建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，就是要求学生需要对具体的化学知识经过思维抽象（证据推理），然后将思维抽象又转化为思维具体（模型认知）。所以在教学中应用模型思维具有特别的意义：既能更好地提高教学效率又能有效地提升学生的思维品质。

在现代科学的概念和理论的形成中，通过模型思维，不仅可以将陌生的、非直观的和不确定的事物、思想转换为熟悉的、直观的、确定的东西，同时还能使抽象的理论和知识具体化、丰富化，使人们更深刻、更直观地把握科学研究对象的本质特征。因此，模型思维在现代认识中的地位和作用日趋重要，它已经成为现代科学发展中的一种极为重要的思维方法。

2 模型思维应用于化学具体教学中

模型思维是突破化学教学难点的绝妙抓手，下面分别以“元素化合物”“有机物分子结构”和“化学反应原理”等专题为例展示模型思维的具体应用。

2.1 模型思维应用于“元素化合物”教学

元素化合物是中学化学最基本的内容之一，是其他模块学习的基础，也可能是教师教学中困惑最多的模块之一。元素化合物内容繁多，学生反映的“化学难学，不好记”，主要是针对元素化学内容而言的。然而，任何事物尽管其运动形式多种多样，并且由于各自矛盾的特殊性而相互区别，但也往往由于相互联系即存在矛盾的普遍性而统一。在教学中，我们要尽量避免将各个化学反应孤立地传授给学生，使学生觉得物质的化学性质多而乱，而应在一定条件下概括出各类化学反应的模式即反应模型，让学生觉得有规律可循。

2.2 模型思维应用于“有机物分子结构”教学

经典的结构理论，开始只提出分子中各原子的原子价、数目和彼此间的相互关系，还没有涉及分子的立体结构问题，如果将分子都想象成平面结构是很难理解的。例如，二氯甲烷（CH2C12）分子就应当有两个不同的平面结构式（异构体）：

在上面的两个平面结构中，两个氯和两个氢排列的关系不同，似乎是两个不同的化合物。但实践证明二氯甲烷只有一个，并无异构体，此外，当时还有为数不多的个别有机分子，它们的化学结构完全相同，但它们的确是几个不同的化合物，这是什么原因呢？为了解释这个问题，1874年范托夫和勒贝尔总结了前人研究所得一些事實，分别提出碳原子的正四面体结构学说，这样就把结构理论引申到三维空间的立体结构中来。根据这个学说，碳原子的四价是完全相等的，它们分别处在正四面体的四个顶角的方向上，各价键间的夹角为109.28°，如下图。

目前人们对分子结构的认识同样也在继续探索中。但从中不难看出，人们对分子空间结构的研究，采用的也是一种模型思维的方法。

2.3 模型思维应用于“化学反应原理”教学

在化学反应速率的学习中，就是抓住化学反应速率的公式，在题目中找准数据，带入公式——数学模型中。化学平衡状态的分析，在建立了三段式的模型后，许多相关的计算也就迎刃而解，且不易出错。

例如：合成氨反应N2（g）+3H2（g）2NH3（g）在某温度下达到平衡时，各物质的浓度是c（N2）=3 mol·L-1，c（H2）=9 mol·L-1，c（NH3）= 4 mol·L-1，求：N2、H2的起始浓度。

解析：

N2 + 3H2 2NH3

起始（mol·L-1） x y 0

转化（mol·L-1） x-3 y-9 4

平衡（mol·L-1） 3 9 4

x=5 mol·L-1

y=15 mol·L-1

答：N2、H2的起始浓度分别是c（N2）=5 mol·L-1;c（H2）=15 mol·L-1。